5.1.3 基于维法耦合的创新方案形成
在创新要素归类基础上，可以将其映射至空间坐标，其中X轴为空间维、Y轴为材料维、Z轴为机理维，进而可以将创新法则与维度耦合形成创新图谱，如图5-1—图5-4所示。
图5-1 煤层气开采技术创新图谱
图5-2 空间维示意图
图5-3 机理维示意图
图5-4 材料维示意图
基于创新法则和维度耦合的创新图谱，可以构筑一系列煤层气开采技术方案，具体如下：
1）对接井水力运移卸压开采煤层气方法
①维度：煤储层（空间维）＋流体冲刷（机理维）＋钻井（机理维）。
②法则：组合与集成。
③具体内容：如图5-5所示，该方案的核心内容为通过钻井至煤储层空间，进而利用流体冲刷煤储层形成卸压空间，即对空间维和机理维进行组合与集成。
图5-5 对接井水力运移卸压开采煤层气示意图
具体操作：设置排煤水出气井和多个注水出气井，钻井至煤储层；排煤水出气井收集排出煤水混合物并采集煤层气，注水出气井注水和采集煤层气；排煤水出气井井口设置气、煤、水分离装置，对分离水循环使用；注水出气井设置进水出气的封井装置；排煤水出气井井底掏穴；注水出气井与排煤水出气井通过流体压差或机械钻进等方法实现对接；注水出气井注入水，水流冲刷煤体并运移至排煤水出气井排出，形成卸压空间，剩余煤层产出煤层气。
该技术可以解决松软、低渗煤储层煤层气的提前抽采问题，消除突出危险，降低煤体瓦斯含量。
2）高压空气喷射掏穴卸压防突方法
①维度：煤储层（空间维）＋围岩（空间维）＋钻孔（机理维）＋流体冲刷（机理维）。
②法则：组合与集成＋动态化。
③具体内容：如图5-6所示，该方案的核心内容为在围岩内实施钻孔至煤储层，利用空气流体冲刷掏穴卸压，即对空间维、机理维进行组合与集成，使流体冲刷呈动态化。
图5-6 高压空气喷射掏穴卸压防突方法示意图
具体操作：在采煤或掘进工作面前方煤层的底板岩巷内设置多个钻孔孔位；然后对钻孔孔位进行普通钻孔作业；钻孔进入煤层设计深度后退钻，将喷射嘴及连接的高压钻杆送入钻孔，高压钻杆尾部连接的高压储气装置通过高压管与高压空气压缩设备相连；启动高压空气压缩设备，以高压空气冲击波为动力源，通过可喷出高压气流且能自行旋转的喷射嘴对煤层内钻孔孔壁进行近圆柱体旋转冲击切割掏穴，使钻孔周围的煤体逐渐破碎脱离孔壁形成卸压空间，然后按照常规方法对掏穴后的煤层实施瓦斯抽放。
3）区域井下高压射流掏穴卸压开采煤层气方法
①维度：煤储层（空间维）＋围岩（空间维）＋钻孔（机理维）＋流体冲刷（机理维）。
②法则：组合与集成＋动态化。
③具体内容：如图5-7所示，该方案的核心内容为通过钻孔的组合与集成形成钻场，进而对空间维和机理维进行组合与集成，使流体冲刷体现动态化。
图5-7 区域井下高压射流掏穴卸压开采煤层气方法示意图
具体操作：在采煤或掘进工作面前方防突区域煤层的底板岩巷内设置多个钻场，并布置一个或多个钻孔孔位；采用钻孔设备对钻孔孔位进行小孔径普通钻孔作业；钻孔进入煤层设计深度后退钻，将射流器、过滤装置及连接的钻杆送入钻孔内，钻杆尾部连接的高压水尾通过高压管与高压水泵相连；启动高压水泵，射流器对煤层内钻孔的孔壁进行旋转切割，钻杆沿钻孔轴向方向运动，形成对钻孔的径向连续扩孔掏穴以形成卸压空间，并收集喷出水流带出的煤屑；在掏穴的宽度与深度达到设计要求后，换下高压射流掏穴设备，按照常规方法对掏穴后的煤层实施煤层气抽采作业，并通过煤层气抽放管排出。
4）钻、压、振三位一体卸压开采煤层气方法
①维度：煤储层（空间维）＋钻孔（机理维）＋机械波（机理维）＋压裂（机理维）。
②法则：组合与集成＋局部优化。
③具体内容：如图5-8所示，该方案的核心内容为机理维的组合与集成，同时利用机械波与压裂改善煤储层的局部渗透性。
图5-8 钻、压、振三位一体卸压开采煤层气方法示意图
具体操作：采用已知技术逐一对布置的振动孔孔位和压裂孔孔位实施钻孔作业，然后在压裂孔上采用外径与压裂孔孔径匹配的压裂设备，以高于地层破裂压力对煤层进行压裂作业；压裂结束后开启振动设备，使其在振动孔内以适当的振动频率实施持续振动作业，同时在压裂孔口安装产气设备，利用常规方法对煤层进行卸压抽放煤层气。
该技术改善了煤层中煤层气的流动状态，同时使煤层受到交替变化的拉应力和压应力作用，有利于煤层气从微孔隙解吸、扩散和流动，为煤层内部卸压、煤层气释放和流动创造了良好的条件，有利于提高煤层气的抽采效率。
5）振动增产煤层气方法
①维度：煤储层（空间维）＋机械波（机理维）。
②法则：组合与集成＋局部优化。
③具体内容：如图5-9所示，该方案的核心内容为空间维、机理维的组合与集成，同时利用机械波改善煤储层的局部渗透性，起到局部优化作用。
图5-9 振动增产煤层气方法示意图
具体操作：在目标煤层或岩层上设置一个或多个作为顺层或穿层振动孔的孔位，逐一按规划的振动孔孔位钻孔，利用安装杆将防爆或振动设备置入振动孔底，在振动设备的顶端和底端各固定一个装置，并在振动设备与振动孔之间的间隙内注满耦合剂，对振动孔的孔口进行密封，继而实施振动作业，并按照常规方法在该振动影响区域内实施煤层气抽采。
该技术通过振动使煤体介质受到交替变化的拉应力和压应力作用，以此使煤层或邻近岩层产生交替变化的伸长和压缩弹性形变及疏密相间的振动波，有利于煤层气从微孔隙解吸、扩散和流动。
6）水力掏穴卸压开采煤层气方法
①维度：煤储层（空间维）＋钻井（机理维）＋流体冲刷（机理维）。
②法则：组合与集成＋局部优化＋智慧化。
③具体内容：如图5-10所示，该方案的核心内容为空间维、机理维的组合与集成，同时利用流体冲刷改善煤储层的局部渗透性，以起到局部优化的作用，并利用冲水机器人依据煤储层结构形成适合开采的卸压空间。
图5-10 水力掏穴卸压开采煤层气方法示意图
具体操作：开挖大口径钻井至煤层，设置一个能注水、排水、出气的煤层气开采井，钻井加装套管，井底进行机械掏穴；煤层气开采井井口加装封井装置，并安装注水用地面水泵、煤水分离装置和储气装置；在煤层气开采井内两侧布置排水装置和冲水机器人，冲水机器人通过软质水管与地面水泵连接，在井底洞穴内持续冲落煤体，形成卸压空间；排水装置将煤水混合物排至煤水分离装置；卸压后的煤层产出煤层气，由煤层气开采井导出至储气装置。
7）上抽巷高压水力掏穴卸压消突方法
①维度：煤储层（空间维）＋围岩（空间维）＋钻井（机理维）＋流体冲刷（机理维）。②法则：组合与集成＋局部优化＋友好化。
③具体内容：如图5-11所示，该方案的核心内容为空间维、机理维的组合与集成，同时利用流体冲刷优化掏穴部分的渗透性，且高压水的注入可以改善环境，实现环境的友好化。
图5-11 上抽巷高压水力掏穴卸压消突方法示意图
具体操作：通过在上抽巷内设置钻场，向防突区域煤层施工小孔径钻孔；利用钻杆带动水力射流器喷出高压水形成旋转冲击，对钻孔进行连续旋转冲击掏穴，直至达到设计要求；利用返浆管路收集水力掏穴产生的煤水混合物至煤水处理系统；当所有钻孔的水力掏穴作业结束，煤体通过地压和瓦斯压力作用而均压增透，并按照常规方法对卸压煤层实施瓦斯抽放。
该技术可大幅减少钻孔的数量以扩大突出煤层的卸压空间提高瓦斯的抽放效率，同时，高压水的注入还能有效抑制粉尘，降低煤层突出的危险性，由此大大改善了井下开采的安全作业环境。
8）水力旋喷冲刷采煤采气方法
①维度：煤储层（空间维）＋钻井（机理维）＋流体冲刷（机理维）。
②法则：组合与集成＋柔性化＋友好化。
③具体内容：如图5-12所示，该方案的核心内容为空间维、机理维的组合与集成，同时利用旋喷方式减少对煤储层的破坏，且高压水与阻燃剂的注入可以改善作业环境，有效保障矿井的安全，有利于实现煤气共采。
图5-12 水力旋喷冲刷采煤采气方法示意图
具体操作：用大口径钻机钻至储煤层，同时设计一个能注水、排水、出气的煤层气开采井并使用套管固定钻井；加装封井装置，安装地面水泵、煤水分离装置、采气装置和阻燃剂补给装置；下放旋喷装置至目标储煤层，地面水泵提供的高压射流水经过旋喷装置作用于煤储层，形成卸压空间，调控旋喷装置上下位置和射流液压力大小以控制煤层气开采的范围；煤水混合物通过排水装置到达分离装置，分离出的水经过阻燃剂补给装置进入地面水泵；冲刷煤层形成的卸压空间产生煤层气，并输送至采气装置。
9）往复式线切割微解放层的煤矿卸压消突与煤层气开采系统及方法
①维度：煤储层（空间维）＋钻孔（机理维）。
②法则：替代＋智慧化。
③具体内容：如图5-13所示，该方案的核心内容为在空间维实施机理维的替代，即将钻孔抽象为一种切割运动形成线切割，同时通过调节线切割往复运动的频率和位置形成卸压空间。
图5-13 线切割开采系统示意图
具体操作：该装置包括两套动力调速驱动装置、齿轨、动力装置、往复式运动机构和线性切割齿条，其中两套动力调速驱动装置分别通过齿轮与安装于上顺槽与下顺槽中的齿轨啮合，往复式运动机构由动力装置驱动且固定于上顺槽中的动力调速驱动装置顶部，线性切割齿条的两端分别与往复式运动机构和下顺槽中的动力调速驱动装置连接。
该技术通过线性切割齿条的往复运动，可以在煤储层中切割微解放层，形成卸压消突空间，具有组装方便、结构简单和便于进行自动化控制等特点。
根据技术方案评价模型，利用熵权模糊综合评价法可以对上述创新方案进行评估，筛选出既符合该领域未来技术发展趋势，又能实现既定目标的创新方案。
由此可见，利用元易创新方法能够在挖掘并分析煤层气开采技术领域文献和专利文本创新要素的基础上构建现有专利分析地图和技术创新要素的组合模式，从宏观判别技术创新区域、从研判影响煤层气开采的微观要素，进而分析煤层气开采技术创新领域的未来技术研发趋势和概念性创新方案集，从中选出最优方案并加以实施。